2.1 유공 강재보 관련 기준

현재 국내기준에는 의 관련된 내용이 충분하지 않으므로, 대다수의 구조 설계자는 AISC (American Institute of Steel Construction), BS (British Standards Institution) 등의 국외기준을 참고하고, 여기에 경험에 의존하여 강재 유공보의 구조계산 및 검토를 실시하고 있다.

대표적으로 국내에서 이용되는 국외기준인 Steel and Composite Beams with Web Openings (AISC, 1990)의 주요내용은 Table 1과 같이 강재 유공보 규격과 수평강판 보강에 대하여 기술되어있다. 여기에 Fig. 1과 같이 무보강 유공보인 경우에는 집중하중 재하지점과 개구부 가장자리의 이격이 최소 강재보 단면 높이의 절반(/2) 이상으로 기술되어 있으며, 지지점에서는 강재보 단면 높이() 이상 개구부를 이격하도록 되어있다. 강재 유공보에 강판보강한 경우는 지지점에서 강재보 단면 높이의 절반(/2) 이상 개구부를 이격을 하도록 기술되어있다.

강재 유공보와 관련 기존연구와 구조설계에서는 지지점과 개구부 가장자리의 이격이 강재보 단면 높이() 이상인 경우를 기본으로 하고 있기에 본 연구에서는 이격이 단면 높이의 절반(/2) 이상인 경우에 대하여 연구를 실시한다.

2.2 실험체 계획

Fig. 2 Specimen detail

본 연구에서의 실험체는 Fig. 2와 같이 일반적으로 사용되는 일반구조용 압연강재 SS275인 H-300×150×9/6.5을 사용하며, 실험체 지지점과 가력위치까지의 길이 1,395 mm에 여장길이를 포함한 총길이 1620 mm로 한다. 그리고 하중전달을 위하여 실험체의 가력위치에 스티프너(t = 9.0 mm, SS275)를 설치한다.

개구부는 2:1비율인 사각형인 300 mm × 150 mm이며, 강재보 단면 중앙에 위치하고, 지지점에서의 개구부 이격은 강재보 단면 높이 절반(/2)으로 한다. 또한 개구부의 천공은 모서리에 드릴로 구멍을 뚫고 Milling 작업을 하여 열융력에 의한 잔류응력이 최소화되도록 제작한다. 개구부 모서리는 응력집중을 완화하기 위하여 곡률(R = 16 mm)형태로 처리한다.

강판보강에 사용되는 강판은 SS275인 두께 9 mm로 하며, 수평 강판보강인 경우는 개구부의 가장자리에서 강판 내민길이를 개구부 폭의 1/4인 75 mm로 한다.

실험체의 가력위치에 설치하는 스티프너와 개구부 주변에 설치하는 보강 강판은 모살용접으로 실험체와 접합한다.

Fig. 3 Specimen schedules

본 연구에서의 실험체는 Table 2와 Fig. 3과 같이 총 6개로, 무공 강재보와 유공 강재보, 그리고 수직 강판보강 및 수평 강판보강에 대하여 개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm인 경우와 간격 없는 강판보강 강재보 경우로 나누어 계획한다.

2.3 가력 계획

본 연구에서의 하중가력은 Fig. 4와 photo 1과 같이 실험체에 휨과 전단이 동시에 작용되도록 1점 집중재하 방식으로 하며 실험체 거치는 실험체를 캔틸레버 형태로 지지 프레임에 고력볼트로 접합한다. 가력장치는 500 kN 용량의 Actuator를 사용한다.

Fig. 4 Loading plan

Photo 1 Testing set-up of specimen

Fig. 5 Standard loading history

하중가력 방식은 Table 3와 Fig. 5와 같이 변위제어 방식으로 실험체 지지점과 가력위치까지의 길이 1,395 mm에 대한 각 Step의 Radian 기준에 따라 산정한 변위를 증가시키는 방법으로 반복하중을 가력한다. 하중가력은 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC, 2016)를 참고하여, Step 1은 Cycle 6회, Step 2와 Step 3 및 Step 4에서는 Cycle 4회로 진행하며, Step 5 이후에는 전부 Cycle 2회로 계획한다.

본 실험에서는 하중 가력 시 실험체에 Crack 및 좌굴 발생으로 인한 내력저하가 심화되면 가력을 중지하고 실험을 중지한다.

3.1 사용재료의 역학적 성질

본 연구의 재료실험은 실험에 사용된 SS275인 H-300 × 150×9/6.5 강재에서 웨브(6.5 mm)와 플랜지(9.0 mm)에서 2개씩 시험편을 채취하여 KSB0801인 금속재료 인장시험 규정에 따라 제작, 실험을 실시하였다. 재료실험의 결과는 Table 4에 나타내었으며, 이 결과는 추후 실험체의 내력분석 연구에 활용하고자 한다.

3.2 실험체의 파괴 및 국부좌굴 양상

본 연구에서 실시한 실험의 실험체별 파괴 및 국부좌굴 양상은 Table 5에 정리하여 나타냈으며, 실험후 각 실험체의 형상은 Photo 2와 같다.

Photo 2 Failure shape of the test specimen

무공 강재보인 CB00-N0 실험체는 step 5에서 지지점 주변 플랜지에서 도장 균열이 발생하였으며, step 6에서는 지지점 주변 웨브에서 도장 균열이 발생되었다. 이후 step 7에서 베이스플레이트의 국부좌굴이 발생되었다.

유공 강재보인 CB15-N1 실험체에서는 step 2에서 개구부 주변 웨브에서 도장 균열이 발생된 후, step 3에서는 개구부 주변 웨브의 국부좌굴이 발생되었다. 그리고 step 6에서 개구부 주변 플랜지에서 도장 균열과 국부좌굴이 발생되었다. 이는 응력이 개구부 주변 웨브에 먼저 집중된 이후 플랜지에 집중되는 것을 보이고 있다.

수직 강판보강 유공 강재보 실험체(CB15-V1, CB15-V0)는 step 4에서 개구부 주변 웨브에서 도장 균열이 발생된 후, step 5에서는 개구부 주변 웨브의 국부좌굴이 발생되었다. 이후 step 7에서 개구부 주변 웨브의 도장 균열과 지지점 주변의 플랜지의 국부좌굴이 발생되었다.

수평 강판보강 유공 강재보 실험체(CB15-H1, CB15-H0)는 step 3에서 개구부 주변 웨브에서 도장 균열이 발생되었으며, 이후, step 5에서는 개구부 주변 플랜지에서 도장 균열과 지지점 주변의 국부좌굴이 발생되었다. 이후 step 7에서는 개구부 주변 웨브에서 국부좌굴이 발생되었다.

수직 강판보강 유공 강재보 실험체(CB15-V1, CB15-V0)는 국부좌굴이 개구부 주변 웨브에서 발생된 이후 지지점 주변의 플랜지에서 발생되었으나, 수평 강판보강 유공 강재보 실험체(CB15-H1, CB15-H0)에서는 국부좌굴이 지지점 주변의 플랜지에서 발생된 후에 개구부 주변 웨브에서 발생되었다. 이는 강판보강의 위치에 따라 응력집중 부분이 변경되는 것으로 판단된다.

3.3 실험체의 실험결과

3.3.1 기본 모델

본 연구의 각 실험체에 대한 실험결과는 반복이력과 단조이력에 대한 하중-변위 곡선으로 나타내었다. 본 연구에서는 별도의 단조가력 실험을 수행하지 않았으므로 단조이력에 대한 하중-변위 곡선은 반복이력 결과에서 정방향(+)을 기준으로 각 step의 결과에서 최대 하중점을 연결하여 포락선을 만드는 방법을 사용하였다. 항복하중점은 초기강성의 직선과 초기강성구배의 1/3되는 직선을 평행이동 시킨 후 교차점을 구하고 이를 항복점으로 하였다.

Table 6 CB00-N0, CB15-N1 Load and Displacement

Name	Yield load point		Target displacement
			step 5 : 20.93 mm	step 7 : 41.85 mm
	$\delta_{y}$ [mm]	$P_{y}$ [kN]	Load [kN]	Load [kN]
CB00-N0	21.659	139.326	108.437	148.308
	(0.905)	(1.383)	(1.367)	(1.356)
CB15-N1	23.927	100.777	79.318	109.383
	(1.000)	(1.000)	(1.000)	(1.000)

※ ( ) :　ratio to result of CB15-N1

Table 7 CB00-N0, CB15-N1 Comparison of theory and test results

Name	$M$ : theory [kN·m]		$M$ : test [kN·m]
CB00-N0	127.4	(1.072)	128.9	(1.383)
CB15-N1	118.8	(1.000)	93.2	(1.000)

※ ( ) :　ratio to result of CB15-N1

Fig. 6 Load-Displacement Relationship – 1

무공 강재보인 CB00-N0 실험체와 유공 강재보인 CB15 -N1 실험체에 대한 실험결과는 Fig. 6와 Table 6에 나타냈다.

유공 강재보인 CB15-N1 실험체의 항복하중은 Step 5에서 79.318 kN, 최대하중은 Step 7에서 109.383 kN으로 측정되었다. CB15-N1 실험체에 비하여 CB00-N0 실험체의 하중비는 Step 5에서 1.367이며, Step 7에서는 1.356으로 평가되었다.

Fig. 7 Load-Displacement Relationship – 2

유공 강재보인 CB15-N1 실험체의 Step 5와 Step 7 결과와 다른 실험체들의 Step 5와 Step 7 결과를 비교하였다.

Table 8 CB15-N1, CB15-V1, CB15-V0 Load and Displacement

Name	Yield load point		Target displacement
			step 5 : 20.93 mm	step 7 : 41.85 mm
	$\delta_{y}$ [mm]	$P_{y}$ [kN]	Load [kN]	Load [kN]
CB15-N1	23.927	100.777	79.318	109.383
	(1.000)	(1.000)	(1.000)	(1.000)
CB15-V1	16.536	97.938	87.669	110.741
	(0.691)	(0.972)	(1.105)	(1.012)
CB15-V0	23.003	100.285	79.201	108.299
	(0.961)	(0.995)	(0.999)	(0.990)

※ ( ) :　ratio to result of CB15-N1

무공 강재보인 CB00-N0 실험체와 유공 강재보인 CB15 -N1 실험체에 대하여 이론에 의한 단면의 최대모멘트내력과 실험결과를 이용한 항복점에서의 모멘트 내력을 비교한 것을 Table 7에 나타냈다. 내력비가 이론에서는 약 7% 차이가 나지만 실험에서는 약 38%로 내력감소가 컸다.

3.3.3 수평보강 모델의 실험결과

수평 강판보강 강재보인 CB15-H1 실험체와 CB15-H0 실험체에 대한 실험결과는 Fig. 8 및 Table 9에 나타냈다.

Fig. 8 Load-Displacement Relationship - 1

CB15-N1 실험체에 비하여 CB15-H1 실험체와 CB15-H0 실험체의 하중비가 Step 5에서 1.246와 1.219이며, Step 7에서는 1.146와 1.194으로 평가되었다. 이는 하중 측면에서 무공 강재보인 CB15-N1 실험체보다는 부족하지만 보강효과는 있는 것으로 평가되었다.

Step 5 이후 CB15-H0 실험체가 CB15 -H1 실험체보다 하중이 증가되고 있는데, 이는 보강강판과 개구부 가장자리의 간격 없이 강판보강한 효과로 판단된다.

3.3.4 에너지 흡수능력과 잔류변형의 비교

각 실험체의 실험결과에서 반복하중에 대한 하중-변위의 그래프 내의 면적을 산정하여 에너지 흡수능력을 평가하였다. 그리고 에너지 흡수능력과 함께 하중이 Zero일 때의 변위인 잔류변형과 비교하여 Fig. 9 및 Table 10에 나타내었다.

Fig. 9 Energy absorption capacity and residual displacement at step 8

유공 강재보인 CB15-N1 실험체에 대한 Step 8의 결과와 비교한 에너지 흡수능력비는 수직 강판보강 강재보인 CB15- V1, CB15-V0 실험체가 1.004, 1.038로 약간이지만 증가되었으며, 수평 강판보강 강재보인 CB15-H1, CB15-H0 실험체는 0.969, 0.876으로 에너지 흡수능력 비율이 감소되는 것으로 평가되었다. 잔류변형비는 유공 강재보인 CB15-N1 실험체보다 다른 실험체들이 작게 평가되었다. 무공 강재보인 CB00-N0 실험체에서는 에너지 흡수능력비보다 잔류변형비가 크게 평가되지만 강판보강 실험체는 잔류변형비가 에너지 흡수능력비보다 작게 평가되었다.